集控站驾驶舱系统模块化架构中各功能单元的开发及运行研究

桂军国，王宇

（贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002）

集控站驾驶舱系统模块化架构中各功能单元的开发及运行研究

桂军国，王宇

（贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002）

集控站驾驶舱系统为现代智能电网运行和维护提供了可视化全景式控制模式，为现代电网调度提供了全新的视角和方法。在介绍了集控站驾驶舱系统结构的基础上，对其功能模块及其协调运行方式进行了深入的研究，并给出了各个功能模块的具体开发方法。具体来讲，其功能模块包括中央集控模块、通信模块、数据预处理模块、底层设备模块等。文中具体给出了数据流在全局系统中的具体走向，并提出了对网络中数据传输量的准确评估方法及动态数据传输带宽策略，实现数据的准确传输和实时处理。仿真结果验证了该系统结构和所提出方法的有效性。

智能电网；集控站驾驶舱；功能模块；数据流

由于可再生能源在现代电力系统中的渗透量持续增长，电力系统的结构和运行模式已经较传统系统而言产生了翻天覆地的变化[1-2]。在结构方面，传统电力系统可以简单的划分为输电网络和配电网络两类，二者彼此之间各自实现不同的功能需求。在输电网络中，供电单元大多依赖于传统的大型同步发电机，以此实现系统调频和调压等运行目标；而在配电网络中，系统通常和输电网络单点相连，功率在配电网络中呈现单一的流动方式，即从与输电网相连的公共节点传输到底层各个支路的用户侧。和上述结构有所不同，当可再生能源大量的接入电网后，由于多数可再生能源直接连接到配电网络中，因此形成了“主动配电网”的结构，即配电网络已经不再简单地满足传统配电网中无源结构要求，而是同时存在电源和负荷两方面的需求，其既需要满足用户在负荷侧的用电需要，也同时需要实现对于接入配电网中的可再生能源在源边侧的有效管理。特别是在功率流动方向方面，具有大量可再生能源的主动型配电网具有双向功率流，和传统配网中单一的从源边流入负荷侧的功率流动方向具有很大的区别。与此同时，上述双向流动的功率对于传统的保护装置也带来了很大的挑战。一方面，双向功率流可能会带来传统保护装置的误动作，即带来不必要的线路或负荷切除；另一方面，由于可再生能源的自身惯量和传统的同步发电机等装置相比，具有很大的不同之处，因此其对于故障电流的贡献和传统发电机相比同样具有数量级上的差别。换句话讲，由于可再生能源的存在，系统中的故障电流取值会有所减小，因此常规的故障保护阈值无法满足系统的正常保护要求，即会出现保护失效的情况。综上所述，具有大量可再生能源的现代电力系统在运行和控制方面具有很大程度上的不同之处。

为了解决上述问题，可再生能源接入的问题，实现对于现代电力系统高效、稳定、经济运行的要求，学术界和工业界均提出了多种解决方案，以实现不同的控制要求[3-8]。例如：学者们提出了微电网的概念以实现对于多种不同的可再生能源以及分布式负荷的有效整合，实现对于电源侧和负荷侧的高效协调控制。同时，虚拟电厂的概念也得到了人们的关注，即通过对于不同可再生能源的输出整合，将其整体模拟为虚拟发电单元，实现对于发电侧运行模式的规划整理，满足控制要求。同时，该方法同时考虑了多种不同可再生能源输出功率的随机性特点，利用此消彼长的方式缓解虚拟电厂整体输出功率波动的问题。常见的虚拟电厂通常由光伏发电单元、风力发电单元以及小型发电机或柴油发电机组成。具体来讲，在白天日超充足的情况下，光伏发电单元输出较多的功率；而在夜晚风力较强的情况下，风力发电机组产生较多的功率；与此同时，小型发电机负责平抑瞬时的功率波动，以此实现稳定功率输出的作用。

1 集控站驾驶舱研究现状

为了满足电力系统多视角全景化运行的要求，需要考虑使用多种可视化方法以实现对于电力系统中多项指标的有效观测。上述观测问题并不仅仅局限于对于量测数据的显示，其更多的作用在于对于系统实际运行特性的实时测量和监控。例如：通过实时观测系统的频率取值对系统的频率稳定阈度进行监控，以确保系统的稳定运行，提高供电质量的可靠性。在实现了上述检测的基础上，还需要利用实时测量得到的数据对系统实现实时在线控制，满足现代电力系统运行过程中所需要实现的各类性能指标，例如：经济性运行指标、运行效率指标、运行可靠性指标等。为了同时实现系统中多种数据的在线实时监测以及各类控制指标的有效整合管理，在实际现代电力系统中，学者们提出了集控站驾驶舱的概念[9]。和传统的集中式控制方法相比，集控站驾驶舱的提出有效的整合了现代电力系统高性能控制以及可视化观测的要求。其一方面依托于高性能通信网络，根据实时测量得到的数据，实现对于系统待测变量的有效观测，并通过对于关键性能指标的实时提取，满足对于系统稳定性及其他运行指标的检测；另一方面，其通过采用高性能的中央控制单元，实现了对于现代电力系统中多种控制目标的有效整合，满足电力系统高性能实时控制的需要。综合来讲，集控站驾驶舱技术可以有效的实现对于现代电力系统观测、控制以及保护等多方面的要求。

由于集控站驾驶舱技术的结构较为复杂，且需要实现多方面的运行要求，因此需要对其架构进行合理设计，以满足其系统稳定运行的要求。为了实现合理的系统结构，集控站驾驶舱多使用模块化方式进行构造。具体来讲，各功能模块按照其自身的运行目标进行划分，以各自模块化实现为前提仅进行构建。具有模块化结构的集控站驾驶舱具有多方面的优势，其表现为：

1）模块化结构易于对于不同单元的整合及管理，方便操作人员对于系统运行特性的观测。

2）模块化结构易于维护，当某个模块发生故障时，可以及时对其进行局部更换，而无需对于整体控制系统进行大规模调整。

3）模块化结构易于生产，由于采用模块化运行结构，可以有效的再现及复制某个特定的功能单元，其有利于模块单元的批量生产，易于实现量化推广的目标。

如图1所示为上述基于模块化结构的集控站驾驶舱的图示表达。从图1中可以清楚的看到，集控站驾驶舱的整体运行结构由多种不同的功能化模块单元组成。各单元之间的功能相对独立，但仍然具有一定的联系，例如：通信连接、电气硬件连接等。

图1 集控站驾驶舱的模块化功能结构Fig.1 Modular configuration of the centralized controller and operation cockpit

本文在介绍集控站驾驶舱系统架构的基础上，重点介绍了其模块化的结构特点。基于上述模块化结构特点，本文对其各自的功能和实现方式给出了明确的定义。利用“最小系统”的概念，实现了对于基本功能单元的明确定义，同时对每个单元的特点进行了详细描述。在明确了“最小系统”中模块化功能单元的划分和种类之后，本文同时给出了系统中的数据流在各功能单元之间的传输关系。具体来讲，通过分析数据流在各个单元之间的流动路径，比较了数据在不同单元之间的带宽需求差别。基于上述差别，实现对于“瓶颈”模块的有效识别。为了解决“瓶颈”模块对于实时数据在系统中不同模块之间数据流动的影响，本文给出了基于动态带宽的方法，以实现对于通信系统数据传输能力的有效利用。仿真验证论述了上述方法的有效性。

2 集控站驾驶舱的功能架构

集控站驾驶舱作为一种全景可视化的中央控制单元，实现了对于现代电力系统多方面的检测和控制要求。具体来讲，其功能主要包括检测和控制两方面。一方面其需要实现对于稳态和暂态性能的检测以实现系统可靠运行的要求，另一方面其需要满足保护及控制要求，以适应现代电力系统多方面的运行目标。图2所示为集控站驾驶舱的功能示意图。从图2中可以看出，其包含多方面的检测和控制目标，适用于不同的运行工况。

和传统的电力系统中央控制器相比，集控站驾驶舱技术具有以下4方面的优势：

1）实现了对于多种运行目标的有效整合，同时实现运行目标之间的彼此协调。

图2 集控站驾驶舱的主要功能Fig.2 Main functions of the centralized controller and operation cockpit

2）实现了对于现代电力系统全净化的检测，具有更高的可视性。

3）具有人性化的人机交互接口，非常易于操作人员对于系统的实时调度控制。

4）具有丰富的操作记录能力，方便对于后续电力系统运行故障、恢复及抢修过程的有效记录。

基于上述优点可以有效看出，集控站驾驶舱在现代电力系统运行过程中具有非常大的优势，对其高性能架构的开发和研究具有很好的现实意义。

3 模块化功能单元的定义和实现方法

正如第1节所述，集控站驾驶舱技术的实现过程遵循模块化设计原则，即各功能单元分别通过各自的模块实现，以此达到多方面的优势。

为了实现对于模块化单元的准确定义，首先需要对系统所需要的功能进行界定。此处选择使用“最小系统”的概念，实现对于基本功能模块的准确定义。具体来讲，基于“最小系统”的模块单元结构如图3所示。

图3 基于最小系统的模块化功能单元Fig.3 Functional modules based on the concept of minimal system

由图3中可知，最小系统的基本组成模块包括以下5种:

1）中央集控模块。

2）通信模块。

3）数据预处理模块。

4）人机交互模块。

5）底层设备模块。

对于中央集控模块，其主要实现各种不同的控制目标以及对不同控制目标进行协调处理和汇总。集控站驾驶舱中的主要控制功能均由中央集控模块实现。具体来讲，其通过采用预先设置好的控制方法，实现系统经济运行、可靠性提升、网损降低等方面的控制要求。

对于通信模块，其实现适用于系统控制运行的双向数据流。在上行通道中，通信模块接收下行设备上传得到的数据信息，将其提供给中央集控模块进行控制处理；在下行通道中，通信模块讲中央集控模块中的处理得到的具体指令下传到底层设备单元，调节底层设备单元的运行工况，以实现既定的运行目标。

数据预处理模块作为中央控制模块和通信模块之间的协调单元，实现对于通信模块中上行单元的采集数据的预先处理。其作用在于一方面对数据的格式和传输方式进行处理，以使其适用于中央控制模块；另一方面实现对于数据的检验，滤除其中的干扰信号，降低信号采集干扰对中央控制系统的影响。

人机交互模块顾名思义为操作人员和机器交互的单元，其需要具有方便简洁的操作界面，以方便操作人员快速准确的获得系统的实时运行信息，并直观的在界面上显示系统运行的各项指标，例如：频率稳定阈度、幅值稳定阈度等。同事人机交互界面需要做到方便操作人员进行人为干预操作，以实现对于紧急故障的快速响应。

底层设备模块为系统的最终执行单元，其表现为实际物理系统中的同步发电机、各类新能源变换器、各类可调和非可调负荷等。其作为最底层执行单元和系统的受控对象，实现对于中央集控单元指令的响应，实现各类控制要求。与此同时，底层控制模块需要向中央集控模块上传自身的运行信息，以使得上层中央集控模块能够实时了解底层设备的运行情况。同时，底层设备的运行状况也需要告知人机交互模块，以在人机交互界面中清晰的显示出系统的健康情况，方便操作人员做出正确的指令，进一步保证系统运行的安全性和可靠性。

如表1所示，为对于最小系统中不同组成模块的具体描述。

表1 “最小系统”中不同功能模块单元介绍Tab.1 Different Functional Modules in the minimal system

4 数据流在不同功能模块之间的流动特点

由表1可知，不同功能模块对于数据流均具有不同程度的依赖性，因此分析数据流在不同模块之间的流动特点对于提升集控站驾驶舱的运行性能具有重要意义。

为了分析及区分数据流对于不同功能模块的影响，将其影响按照程度大小分为3类，分别为高、较高和低。

影响力为“高”的类别中包含中央集控模块和通信模块。其中，中央集控模块需要依赖于数据流中的大量有效数据以实现各类控制目标以及各个目标之间的彼此协调；而通信模块作为数据流的有效载体，在其上行和下行通道中分别实现对于数据流的准确传递，以满足相关模块的运行需要。

影响力为“较高”的类别中包含数据预处理模块和底层设备模块。其中，数据预处理模块可以看做为中央集控模块的服务模块，其为中央集控模块提供预先处理过的有效数据，保证各类控制目标的有效执行；而底层设备模块对于数据流的依赖性主要体现在对于指令信号的接收上。由于上层指令信号通常传输较慢，因此其依赖性较低。

影响力为“低”的类别中包含人机交互模块。人机交互模块本质上仅仅为系统提供人机友好接口，其并不直接参与到系统控制目标的实现过程中，其只起到观测和显示的作用，因此对于数据流的依赖性较低。

上述各个功能模块对于数据流的依赖性可以通过图4得以显示。

图4 各个功能模块对于数据流的依赖性Fig.4 Dependency of different functional modules on data stream

由图4可知，由于不同模块对于数据流的依赖性各不相同，因此其所需要的系统带宽也有所不同。例如：对于中央集控模块，其需要快速得到精确的数据，因此需要使用较高的通信带宽以确保对于数据的有效获取；而对于人机交互模块，其只需要采集得到显示数据即可，因此无需依赖于较高的通信带宽，只需要使用价格较低的通信方式既可以满足要求。综上所述，可以使用动态的带宽调节方法来适应不同功能模块的要求。

5 仿真分析

利用MATLAB/Simulink建模仿真可以实现对于上述方法的验证。具体来讲，搭建了包含风光储三类单元的小型电力系统对上述模块化功能结构进行验证。

情况1：系统有功负荷从1 kW跳变为3 kW，而无功负荷从3 kvar跳变为1 kvar

为了适应系统负荷跳变的需要，底层设备模块首先检测到有功负荷变化，同时通过数据流上传负荷变化信息。通信模块接收到上述信息之后，将其上传至数据预处理模块，数据预处理模块对数据进行平滑处理后，继续将其上传到中央集控单元，中央集控单元根据预先设定的控制逻辑，调节源边侧风光储系统，产生发电量有功功率的跳变指令。上述跳变指令经过通信模块作用于底层设备模块，实现源边侧功率的跳变。上述过程如图5所示。

图5 负荷有功功率跳变情况下数据流流经的模块单元Fig.5 Data stream flowing through different functional modules with active power load step

如图6所示，为源边侧输出功率总和的跳变结果，从图6中可以看出，其满足负荷跳变的需求，系统可以实现源边侧和负荷侧的功率平衡。

图6 有功负荷跳变情况下源边侧有功及无功波形Fig.6 Wave forms of active and reactive power in the source side with active power load step

情况2：系统有功负荷从3 kW跳变为1 kW，而无功负荷从1 kVar跳变为3 kVar

为了适应系统负荷跳变的需要，和情况1中的有功负荷跳变情况类似，底层设备模块首先检测到无功负荷变化，同时通过数据流上传负荷变化信息。通信模块接收到上述信息之后，将其上传至数据预处理模块，数据预处理模块对数据进行平滑处理后，继续将其上传到中央集控单元，中央集控单元根据预先设定的控制逻辑，调节源边侧风光储系统，产生发电量无功功率的跳变指令。上述跳变指令经过通信模块作用于底层设备模块，实现源边侧功率的跳变。上述过程如图5所示。

如图7所示，为源边侧输出功率总和的跳变结果，从图7中可以看出，其满足负荷跳变的需求，系统可以实现源边侧和负荷侧的功率平衡。

图7 无功负荷跳变情况下源边侧有功及无功波形Fig.7 Wave forms of active and reactive power in the source side with reactive power load step

6 结论

本文在介绍集控站驾驶舱结构特点基础上，着重分析了系统模块设计的具体方法以及数据流在不同模块化功能单元之间的流动特点。文中分析了不同功能模块对于数据流以及通信带宽的依赖性，仿真案例分析验证了系统运行的有效性。

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Modular Configuration and Development of Each Function Unit in the Centralized Controller and Operation Cockpit

GUI Junguo，WANG Yu
（Electric Power Research Institute of Guizhou Power Grid Co.，Ltd.，Guiyang 550002，Guizhou，China）

The centralized controller and operation cockpit provides a panoramic visual control mode for the operation and maintenance of the modern smart grid and also provides a brand new approach and methodology for the power dispatch in today's power systems.On the basis of introduction of the configuration and characteristic of the centralized controller and operation cockpit，this paper presents an in-depth study of each function model and its coordinated operation mode，providing the specific development method for each function model.In particular，the function models of the cockpit includes the central control module，communication module，data pre-precessing module and low-level device module.The detailed data stream among different functional modules is revealed in this paper.Furthermore，the amount of data transferring in the system is evaluated and the dynamic data transferring bandwidth is proposed in order to realize the accurate and real-time data transferring and processing.The proposed architecture and method have been verified through the simulation testing.

smart grid；centralized controller and operation cockpit；function unit；data stream

2016-07-20。

桂军国（1974—），男，本科，高级工程师，从事智能化变电站和继电保护技术研究。

（编辑 李沈）

中国博士后基金（2014M562410）。

Supported by the China Postdoctoral Science Foundation（2014 M562410）.

1674-3814（2016）11-0014-06

TM737

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